目前，碳纖維復(fù)合材料已被用于汽車(chē)領(lǐng)域，制造具有成本效益的工具，以及最終用途的汽車(chē)零件，例如3D打印的懸架立柱和3D打印的風(fēng)管配件。3D打印復(fù)合工具可能有很多好處，但汽車(chē)制造商必須確保它已經(jīng)做好投入到生產(chǎn)線(xiàn)當(dāng)中的準(zhǔn)備。

如今，增材制造（AM）已廣泛用于車(chē)輛原型設(shè)計(jì)，在汽車(chē)生產(chǎn)過(guò)程的其他部分也越來(lái)越受到青睞。SmarTechPublishing在2018年的《增材制造突破創(chuàng)新壁壘》中表示，汽車(chē)行業(yè)正在“加速實(shí)現(xiàn)完全工業(yè)化，并在端到端生產(chǎn)流程中集成AM流程”。文章指出，3D打印技術(shù)在擴(kuò)大其作為汽車(chē)原型和工裝的主要技術(shù)應(yīng)用方面處于有利地位。

ExtremeTuners是一家希臘的機(jī)械加工商，2019年年底，他們?yōu)槿釲ancerEvolution汽車(chē)制造了一批3D打印的碳纖維復(fù)合材料連接桿。據(jù)悉，這些連接桿的重量比鋼輕10倍，比鋁輕6.5倍，可以承受3000馬力（HP）和約15,000RPM的載荷。

但在3D打印復(fù)合工具獲得廣泛接受之前，汽車(chē)制造商必須克服幾個(gè)障礙。他們需要對(duì)工具供應(yīng)商進(jìn)行技術(shù)教育，并制定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以確保其能夠滿(mǎn)足生產(chǎn)線(xiàn)的需求。

通用汽車(chē)（GeneralMotors）的制造工程團(tuán)隊(duì)幾年前就開(kāi)始為某些制造支持應(yīng)用程序測(cè)試AM工具。該團(tuán)隊(duì)主要專(zhuān)注于預(yù)生產(chǎn)業(yè)務(wù)，包括制造少量的預(yù)售車(chē)輛以驗(yàn)證零部件。一個(gè)典型的裝配廠(chǎng)可能生產(chǎn)10萬(wàn)至50萬(wàn)輛汽車(chē)，而預(yù)生產(chǎn)設(shè)施可能在三到四個(gè)月內(nèi)只生產(chǎn)50輛汽車(chē)。

3D 打印的碳纖維復(fù)合材料連接桿

3D 打印打印的碳纖維復(fù)合材料連接桿的應(yīng)力分析

這使得預(yù)生產(chǎn)成為AM復(fù)合工具的良好測(cè)試平臺(tái)。通用汽車(chē)AM技術(shù)制造工程團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人DominickLentine說(shuō)：“我們有很多較小的、低風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序不承受重負(fù)載，并且沒(méi)有任何安全隱患。我們組裝工廠(chǎng)的大部分工作是大批量、高生產(chǎn)率、高風(fēng)險(xiǎn)的自動(dòng)化設(shè)備，而在預(yù)生產(chǎn)領(lǐng)域，則需要更多的手工制作和手動(dòng)工具。”如果預(yù)生產(chǎn)中的新工具出現(xiàn)問(wèn)題，所產(chǎn)生的影響要比大型裝配線(xiàn)停頓所產(chǎn)生的影響要小得多。

3D打印的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

汽車(chē)制造商之所以對(duì)打印復(fù)合工具感興趣，有三個(gè)主要原因：減輕重量、縮短交貨時(shí)間和降低成本。

當(dāng)生產(chǎn)線(xiàn)操作員使用的是輕質(zhì)復(fù)合材料工具而非較重的金屬工具時(shí)，他們感受到的人體工程學(xué)壓力較小。3D打印解決方案提供商Stratasys美洲汽車(chē)部門(mén)主管喬治?拉塞爾（GeorgeRussell）表示：“這與汽車(chē)質(zhì)量息息相關(guān)，因?yàn)樗麄冋谟眠@些3D打印工具把工作做得更好?！?/p>

Lentine補(bǔ)充說(shuō)，打印工具可以減少機(jī)器人的有效載荷50到100磅，使得汽車(chē)制造商可以通過(guò)使用更小的機(jī)器人來(lái)節(jié)省成本。使用更小的有效載荷，機(jī)器人可以更快地移動(dòng)和減速，從而減少了操作所需的空間和切割周期。

AM還縮短了工具的生產(chǎn)時(shí)間。在通用汽車(chē)的內(nèi)部或一級(jí)供應(yīng)商那里，開(kāi)發(fā)一款工具需要8至16周的時(shí)間。這是由于有限的車(chē)間容量和手工勞動(dòng)所需的金屬工具，其中包括數(shù)控設(shè)置、焊接和組件組裝等因素。相比之下，3D打印工具可能只需要一夜到幾天的時(shí)間，取決于它的大小。即使需要裝配，AM也能將交貨期縮短50%或更多。

由于A(yíng)M工具可以將多個(gè)部件合并到一個(gè)打印部件中，因此汽車(chē)制造商可以節(jié)省大量成本。Stratasys在一份白皮書(shū)中評(píng)估了增材制造在汽車(chē)工業(yè)中作為低成本工具的潛力，報(bào)告稱(chēng)，傳統(tǒng)制造的升降機(jī)組件的成本約為1920美元，而一個(gè)類(lèi)似的3D打印的工具只需400美元。當(dāng)汽車(chē)制造商需要多種工具時(shí)，成本削減會(huì)迅速增加。

改變心態(tài)

通用汽車(chē)一直在使用Stratasys的大型熔融沉積模型（FDM）打印機(jī)來(lái)構(gòu)建其AM復(fù)合模具。Stratasys打印機(jī)采用了ULTEM?（非晶態(tài)熱塑性聚醚亞胺）樹(shù)脂、丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）、聚碳酸酯和尼龍12碳纖維等新材料制成的長(zhǎng)絲，旨在提供高精度和重復(fù)性。

“這些新材料拓寬了制造業(yè)的應(yīng)用范圍，因?yàn)樗鼈兏鼒?jiān)固、更耐用?！盧ussell說(shuō)。

在打印過(guò)程中，復(fù)合長(zhǎng)絲和支撐材料長(zhǎng)絲通過(guò)雙加熱噴嘴擠出，按規(guī)定的精確路徑放置。該工具內(nèi)置在烤箱內(nèi)，控制溫度和濕度，這有助于提供尺寸穩(wěn)定。一旦打印完成，支撐材料就會(huì)被分離或溶解，以使零件達(dá)到其期望的最終形狀。

雖然3D打印為某些類(lèi)型的模具提供了優(yōu)勢(shì)，但它也對(duì)通用汽車(chē)的一級(jí)工具供應(yīng)商提出了挑戰(zhàn)。他們不熟悉AM，通常只有有限的復(fù)合材料經(jīng)驗(yàn)。Lentine說(shuō)，在A(yíng)M復(fù)合工具廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)之前，供應(yīng)商必須有信心，他們將提供與傳統(tǒng)金屬工具相同的質(zhì)量和耐用性。

為了幫助供應(yīng)商更好地理解AM和復(fù)合材料技術(shù)，通用汽車(chē)于2019年1月邀請(qǐng)他們的關(guān)鍵工程師參加了與Stratasys的培訓(xùn)研討會(huì)。

Stratasys公司的汽車(chē)應(yīng)用工程師GregWhitman說(shuō)：“這絕對(duì)是一種思維方式的改變和一種不同的設(shè)計(jì)方法，使你的成品仍然能夠滿(mǎn)足你的應(yīng)用需求。”剛剛接觸新技術(shù)的人經(jīng)常使用傳統(tǒng)的金屬工具思維來(lái)設(shè)計(jì)三維復(fù)合工具，但可能會(huì)失敗，因?yàn)樗鼪](méi)有為AM進(jìn)行優(yōu)化。在供應(yīng)商能夠正確設(shè)計(jì)打印復(fù)合工具之前，他們需要了解基本的設(shè)計(jì)原則，比如使用零件的幾何形狀來(lái)增加其剛度。

有很多因素決定了一個(gè)生產(chǎn)模具是否應(yīng)該3D打印?！氨鄱斯ぞ?、升降輔助設(shè)備、測(cè)量設(shè)備——很多這些東西都是過(guò)度設(shè)計(jì)的，過(guò)度建造在鋁或鋼上。它們很重，功能也不像它們可能達(dá)到的那樣強(qiáng)大。當(dāng)我們與通用汽車(chē)（GeneralMotors）等OEM廠(chǎng)商或他們的供應(yīng)商見(jiàn)面時(shí)，我們正在考慮這些應(yīng)用程序?！?/p>

通用汽車(chē)目前正與其模具供應(yīng)商合作進(jìn)行各種AM項(xiàng)目。一家供應(yīng)商正在研究，為機(jī)器人設(shè)計(jì)一種重量更輕的、打印的、臂端模具，是否可以縮短某個(gè)子裝配單元的周期。另一種是用AM生產(chǎn)一種小型手動(dòng)模具來(lái)檢查進(jìn)入工廠(chǎng)的金屬釘。Lentine解釋說(shuō)：“螺栓需要與另一塊金屬連接，但它們是彎曲的，工人們從來(lái)沒(méi)有任何東西可以檢查它們?！崩?D

打印技術(shù)，通用汽車(chē)迅速生產(chǎn)出多種檢測(cè)模具，并將它們分發(fā)給工廠(chǎng)，作為一個(gè)持續(xù)問(wèn)題的解決方案。

Lentine表示：“一旦設(shè)計(jì)師對(duì)設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)指南有了一個(gè)概念，他們實(shí)際上就最擅長(zhǎng)創(chuàng)建新的幾何圖形。他們真的知道如何看待一個(gè)部分，并把它放在一起有點(diǎn)不同。所以這是一條學(xué)習(xí)曲線(xiàn)，但從我們的經(jīng)歷來(lái)看，這條學(xué)習(xí)曲線(xiàn)并不陡峭。”

提出的問(wèn)題

供應(yīng)商對(duì)使用AM復(fù)合工具的問(wèn)題來(lái)自于他們對(duì)通用GM生產(chǎn)裝配廠(chǎng)構(gòu)建工具所需知識(shí)和了解。

例如，他們需要弄清楚打印工具和金屬工具在應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)、耐久性和疲勞性能方面有何不同。他們想了解這些工具的尺寸能力：打印時(shí)精度是否高，還是需要機(jī)加工？熱膨脹會(huì)成為問(wèn)題嗎？在寒冷干燥的冬季設(shè)計(jì)的模具能否有效地工作？

扭矩要求是另一個(gè)問(wèn)題?！拔覀冇娩摵弯X制成的所有組裝部件均具有扭矩要求，以確保實(shí)際拉動(dòng)螺栓并在將兩個(gè)板拉在一起時(shí)產(chǎn)生壓縮力。但是與塑料不同，因?yàn)橄嗤呐ぞ匾罂赡軙?huì)將塑料剝離。”Lentine說(shuō)。解決方案是將休伊特線(xiàn)圈插入或?qū)菁y的金屬插件安裝到零件中。

供應(yīng)商對(duì)在車(chē)間環(huán)境中使用打印復(fù)合材料模具有疑問(wèn)。如果被焊槍噴出的焊縫擊中，它會(huì)隨著時(shí)間的流逝而熔化并降解嗎？應(yīng)該使用哪種粘合劑將兩部分連接在一起？如果3D打印的零件必須經(jīng)過(guò)噴漆車(chē)間的高溫烤箱，是否應(yīng)該獲得特殊的涂層？

打印工具的維修程序提出了另一個(gè)挑戰(zhàn)。與金屬模具不同，復(fù)合模具無(wú)法通過(guò)焊接固定在替換零件上。

Whitman表示：“我們一直在與通用汽車(chē)及其供應(yīng)基地合作，試圖找出最佳解決方案?！鄙a(chǎn)設(shè)備可以根據(jù)需要打印新部件，也可以預(yù)先打印現(xiàn)有的替換部件。Stratasys還一直在幫助供應(yīng)商開(kāi)發(fā)臨時(shí)解決方案，比如在破損的工具上使用涂有環(huán)氧樹(shù)脂或螺栓的鋁或金屬條，直到永久性的替換工具打印出來(lái)。

盡管通用汽車(chē)及其供應(yīng)商正在尋找他們?cè)陧?xiàng)目過(guò)程中所需的大部分答案，但仍有一個(gè)問(wèn)題需要更多時(shí)間來(lái)解決。

Lentine說(shuō)：“如果我們有一些關(guān)鍵的大型工具來(lái)承載重物，我們將進(jìn)行有限元分析（FEA）模型?！盕EA預(yù)測(cè)工具的特性，例如撓度和對(duì)應(yīng)力的反應(yīng)?！安捎肧tratasys工藝的有限元分析很復(fù)雜，人們對(duì)此信心不足，因?yàn)榇蛴」ぞ卟皇歉飨蛲圆牧弦膊皇亲⒛Ｋ芰稀Ｋ窃趫D層和工具路徑中構(gòu)建的，因此實(shí)際上并不是同質(zhì)的?！?/p>

Stratasys正在與一些軟件合作伙伴一起開(kāi)發(fā)解決方案。Whitman說(shuō)：“我們公司仍在努力對(duì)材料進(jìn)行全面表征，這樣我們就能知道它們的強(qiáng)度和剛度，特別是纖維負(fù)載材料的強(qiáng)度和剛度。目前還沒(méi)有一個(gè)可用的模擬解決方案來(lái)說(shuō)明我們確切地知道這種材料的行為，也知道它將如何失效?！?/p>

由于這種不確定性，工程師們將打印工具設(shè)計(jì)得比原本可能需要的更大更結(jié)實(shí)。一旦獲得更多的FEA信息，額外的安全系數(shù)可能會(huì)降低。

3D汽車(chē)的未來(lái)

通用汽車(chē)首次與供應(yīng)商合作從事增材制造工具時(shí)，出現(xiàn)了一些挫折。供應(yīng)商表示不確定他們是否要采用它，并且對(duì)它是否可行沒(méi)有信心。

“但是，在研討會(huì)之后的一兩個(gè)星期，當(dāng)我們開(kāi)始分成小組時(shí)，他們開(kāi)始變得非常非常熱情，以至于他們實(shí)際上是在資助自己公司內(nèi)的項(xiàng)目以調(diào)查其他領(lǐng)域。他們可以為通用汽車(chē)計(jì)劃做到這一點(diǎn)。這已被公司有機(jī)地采用?！?/p>

隨著工具供應(yīng)商對(duì)AM的經(jīng)驗(yàn)越來(lái)越豐富，他們正在幫助通用汽車(chē)開(kāi)發(fā)手工裝配工具的規(guī)范，并最終開(kāi)發(fā)用于自動(dòng)化單元的工具。Lentine解釋說(shuō)：“當(dāng)這個(gè)工具進(jìn)入一個(gè)無(wú)人操作的自動(dòng)化單元時(shí)，有很多要求來(lái)確保它正常運(yùn)行，且不會(huì)發(fā)生故障并停止運(yùn)行。我們?nèi)绾螌⑦@一技術(shù)應(yīng)用到自動(dòng)化中，我們?nèi)绾螌?shí)現(xiàn)輕量級(jí)機(jī)器人，我們?nèi)绾渭涌熳詣?dòng)化單元的速度？這就是許多這些需求的真正目標(biāo)。我們現(xiàn)在正在處理的許多項(xiàng)目將證明，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，我們能夠做到這一點(diǎn)?！?/p>

Lentine的目標(biāo)是在年底前將3D打印尼龍?zhí)祭w維材料工具的一些規(guī)格添加到通用汽車(chē)的制造規(guī)格文件中。

未來(lái)的組裝線(xiàn)可能同時(shí)包括打印復(fù)合材料和金屬工具。Lentine說(shuō)：“在某些區(qū)域，風(fēng)險(xiǎn)較低或沒(méi)有承載整個(gè)車(chē)身本身，我們可以實(shí)施和插入這項(xiàng)技術(shù)以幫助減輕重量，并通過(guò)縮短周期時(shí)間實(shí)現(xiàn)更快的工具生產(chǎn)或更快的汽車(chē)生產(chǎn)。但是我們永遠(yuǎn)不會(huì)替換我們今天使用的所有鋼和鋁組件?！?/p>

然而，3D打印工具還有更多的用途尚未被探索。“我們相信這項(xiàng)技術(shù)，相信它能夠節(jié)省時(shí)間和成本。我們還不知道挑戰(zhàn)的尺度在哪里，隨著我們推出更好、更堅(jiān)固的材料，挑戰(zhàn)也會(huì)發(fā)生變化?！盧ussell說(shuō)。